每日观察!4.6亿年前，是什么诱发了海洋生物多样性大幅下降？

出品：科普中国

作者：张俊鹏盛捷（中科院南京地质古生物研究所）

监制：中国科普博览

(资料图片仅供参考)

说到“赤潮”现象，想必大家都不陌生。这种常发生于湖泊和半封闭的海湾的水华现象，是令人十分头疼的环境问题。

“赤潮”是现代常见的水体富营养化现象，多由富含磷、铁等营养元素的大量工业排放废水引起。赤潮发生时，轻则水体表层藻类爆发，水体透光性减弱、溶解氧气含量降低，水体发生化学分层现象，底部出现硫化氢等剧毒成分，表层可见死亡的鱼类等水生动物，甚至发展到尸体生态遭到严重破坏的程度。

图1 赤潮

（图片来源：浦东环境）

你敢想象吗，在4.6亿年前，在地球低纬度海域也曾发生过一场大型“赤潮”，海洋生态环境受到极大的影响，无数海洋生物葬身其中……

近来，中国科学院南京地质古生物研究所科研人员领衔的中、美研究团队对4.6亿年前保存的海相黑色页岩开展古生物学与沉积地球化学研究时，发现当时的海洋缺氧水体扩张，曾造成海洋生物多样性大幅降低，并为当时的“奥陶纪生物大辐射”按下“暂停键”。相关研究成果已发表于地球科学综合期刊《地球与行星科学快报》上。

至于“奥陶纪生物大辐射”到底是什么，为什么要从海相黑色页岩下手进行研究，海洋缺氧水体扩张会引起什么样的严重后果，感兴趣我们就一起往下看吧！

蓬勃发展的生命——奥陶纪生物大辐射

在漫长岁月里，生物进化过程一直以相对缓慢的速度推进着。而在关键地史时期如生物大辐射期间，海洋这一地球生命的摇篮则在相对较短的时间内孕育出各种各样的生物。大家更为熟悉的“寒武纪生命大爆发”，就是一次规模宏大的生物辐射事件。

而发生于4.6亿年前的“奥陶纪生物大辐射”，曾被誉为地球生物演化史上继“寒武纪生命大爆发”之后规模最大的生物辐射事件。

该次生物辐射事件，不仅表现为海洋生物多样性在属、种级别上的翻一番，还包括生态系统逐渐趋于复杂与稳定，如复杂捕食关系网的建立、浮游与游泳动物的生态扩张、底栖生态群落的发展等。当时的海洋孕育着勃勃生机（图2），而同时，陆地上早期植物也完成登陆并开始漫长的扩张之旅。

图2 奥陶纪海洋生态系统复原图

（图片来源：方翔等，2022）

由盛转衰的原因——缺氧海水扩张

然而，生物的繁盛此等盛景并不能够长久地持续下去，奥陶纪生物大辐射也是如此。

近年来，伴随超级计算机的应用与“奥陶纪生物大辐射”研究的深入，高分辨率的生物多样性曲线显示，该次生物辐射事件期间，生物多样性在达到峰值后约10个百万年的时间内，持续出现约50%的下降，这一明显转折引起地质学家的重视。

据前人研究，奥陶纪生物大辐射得益于自早奥陶世开始的全球气候变冷与大气氧气含量上升等环境变化。

然而，在我国华南湖南、江西、安徽、浙江等地区中-上奥陶统地层，发育的大套富含有机质的泥页岩（又称“黑色页岩”），反映当时的海洋水底很可能是缺氧的。

猜想一下，如果生物大辐射得益于大气氧气含量的上升，那么海洋底部大面积缺氧，很有可能是生物大辐射暂停的原因。

科研人员由此展开了进一步的调查。通过分析这些沉积岩的主微量元素、铁组分与黄铁矿形态、氮同位素与钼同位素等特征，发现当时距岸较远的水域表层出现富营养化现象，底部缺氧水体逐步扩张，甚至达到厌氧状态，即底部水体中出现大量硫化氢等剧毒成分。

奥陶纪的海洋又没有工业废水的排放，那为什么会出现类似“赤潮”的现象呢？

对于这些现象的背后机制，科研人员解释道：“奥陶纪中叶，气温进一步的大幅下降，造成高纬度海域深部的冷流增强，以上升洋流的形式携带大量营养盐到达中低纬度的近海盆地，引发表层水体富营养化，与现代湖泊的赤潮现象类似”。

基于这一推论，科研人员研究全球其他地区的同时代地层后发现，当时这一现象并不局限于华南板块，我国的华北板块、塔里木板块，美洲的劳伦板块和欧洲的波罗的板块均有同时代的黑色页岩沉积。这说明，当时的海洋并没有之前研究认为的那样氧化，同时，该研究首次报道的华南中奥陶统黑色页岩的钼同位素证据以及模拟结果也能证实这一点。

图3 奥陶纪中叶气候-海洋环境变化与生物地质事件综合图，从上到下依次为碳同位素证据、氧同位素证据及其反映的海水温度变化趋势、海平面变化与缺氧水体分布、钼同位素证据以及生物多样性数据（种一级）等

（图片来源：张俊鹏等2022）

海洋的“致命呼吸”——海洋缺氧的巨大影响

至此，我们知道，奥陶纪大辐射的中后期，海洋缺氧水体曾大幅扩张。那么，这一现象对海洋生态环境产生过哪些影响呢？

气候变冷会影响表层水体生态，同时水体富营养化造成大量有机碳沉降到海底，有机质氧化分解时消耗水体溶解的氧气，进而引发大规模的缺氧海水扩张。缺乏溶解氧气的水体，同时富集硫化氢，对海洋生态系统（尤其底栖生物群落）造成致命伤害。

因此，这一系列的气候-环境变化，被认为是中-晚奥陶世生物大辐射发生转折的主要诱因。

类似的现象，在地质历史时期曾多次出现，最著名的是2.5亿年前的“二叠纪末生物大灭绝”，是目前已知的最大规模的生物灭绝事件，同样和全球的海洋缺氧现象有关。

“以古鉴今”的思路——从探究地质历史得到环保启示

除了地质历史时期的生物灭绝事件之外，地球气候打破“稳态”可能带来的灾难，对于现在的我们也充满了启示。

全球气候变暖，是当下各个国家和地区地球科学家的共识。但是，我们关注气候变化，并非将其简单理解为平均温度的上升或下降，而应像地质历史时期那样考虑地球气候打破“稳态”时伴随出现的一系列的极端天气和环境灾害，如2.3亿年前晚三叠世持续达百万年的“卡尼期洪积事件”等。

同时，我们国家近年提出的“双碳”目标，正是积极应对气候变化这一全球问题的重大战略。中国科学院丁仲礼院士在最新的重要著作《碳中和：逻辑体系与技术需求》中提到，“碳中和应从碳排放（碳源）和碳固定（碳汇）这两个侧面来理解”，这两大过程中，自然界都占据重要比重。

地质历史时期，火山喷发是碳排放的重要形式，海洋碳酸盐工厂和有机碳埋藏是碳固定的重要过程，而“黑色页岩”即为地质历史时期海洋碳埋藏的重要产物与证据。